(57)【要約】 【課題】 水中に存在する微生物や有機汚染物質を、主に太陽光により光触媒を活性化させて除去できる簡易な光触媒ロッド及びそれを利用した汚染水の簡易な浄化方法を提供する。【解決手段】 光触媒層を表面に形成した透明支持体及びその内部に導光路を備えてなり、光照射による光触媒反応により水中の微生物及び有害有機物質の除去に用いる光触媒ロッドである。また、このロッドの複数個を上下方向に備えてなり、水を入れた貯水槽または貯水池内の規模に合せて配置し、光触媒により微生物及び有害有機物質の除去を行う光触媒ロッドの集合体からなる水浄化ユニットである。このユニットを用いることにより発展途上国などにおける飲料水の入手などに寄与できる。【選択図】     図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光触媒層を表面に形成した透明支持体及びその内部に導光路を備えてなり、光照射による光触媒反応により水中の微生物及び有害有機物質の除去に用いることを特徴とする光触媒ロッド。
【請求項２】
透明支持体が、ガラス管であることを特徴とする請求項１に記載の光触媒ロッド。
【請求項３】
光触媒層が、ＴｉＯ２  を含む超微細孔を有する被膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の光触媒ロッド。
【請求項４】
導光路が、光触媒層部位にのみ漏光するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光触媒ロッド。
【請求項５】
超微細孔を有するＴｉＯ２コーティングされたガラス管に光触媒コーティング部分にのみ漏光する導光路を挿入し、該導光路の内部から光照射されて光触媒活性を発現するように設定された請求項１〜４のいずれか１項に記載の光触媒ロッド。
【請求項６】
光触媒層を表面に形成し漏光する導光路を内部に設けた光触媒ロッドの複数個を上下方向に備えてなり、水を入れた貯水槽または貯水池内の規模に合せて配置し、光触媒により微生物及び有害有機物質の除去を行う光触媒ロッドの集合体からなることを特徴とする水浄化ユニット。
【請求項７】
微生物及び有害有機物質を含む水を入れた貯水槽または貯水池に、光触媒層を表面に形成した透明支持体及びその内部に導光路を備えた光触媒ロッドを上下方向に配置し、光照射による光触媒反応を行うことにより、汚染水中の微生物及び有害有機物質を除去することを特徴とする水の浄化方法。                                    
【請求項８】
微生物の除去が、水中に存在する微生物を死滅させるかまたは微生物の繁殖を抑制することである請求項７に記載の水の浄化方法。
【請求項９】
有害有機物質の除去が、水に溶存する有害有機物質を分解除去することである請求項７に記載の水の浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機物に汚染された水の浄化に用いる光触媒ロッド及びそのロッドを利用した水の浄化方法に関し、一般の貯水槽や貯水池、特に飲料用貯水槽に適用して安全な飲料水を提供するための水質改善技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＴｉＯ２等の金属酸化物の光触媒反応による酸化力を利用して水中の微生物の繁殖の防止や殺菌を行ったり、水中に溶存している有機汚染物質を除去する技術開発が行われており、これに関する数多くの論文が報告され、また特許文献も提案されている。
【０００３】
ところが、これらの技術では、その大半が人工光源やメンテナンスを必要としており、純粋に太陽エネルギーのみを用いた簡易な水質浄化システムは殆ど存在しない。また、ごく一部に見受けられる太陽光のみを使用する光触媒のシステムでは、その材料としての耐久性、さらには環境負荷などに問題があった。
先に、本発明者は、特定の有機化合物を用いる光触媒前駆体溶液から作成した二酸化チタン薄膜は、薄膜特性に優れているうえに光触媒として高活性を示すことを見出した（例えば、特許文献１参照）が、その応用について未だ満足できるものは知られていない。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３８２０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、従来の技術における上記した問題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明の目的は、水中に存在する微生物や有機汚染物質を、主に太陽光により光触媒を活性化させて除去できる簡易な光触媒ロッドを提供すること及びそれを利用した汚染水の簡易な浄化方法を提供することにある。さらに本発明は、飲用に適するまで水質浄化を可能とする水浄化システムの一部を構成するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、発展途上国などにおける汚染水の浄化手法などについて鋭意検討を重ねた結果、太陽光などを利用して汚染水を容易に浄化できる光触媒ロッド及びそれを用いた汚染水の簡易な浄化方法を見出し、本発明を完成させるに至った。  すなわち、本発明の光触媒ロッドは、光触媒層を表面に形成した透明支持体及びその内部に導光路を備えてなり、光照射による光触媒反応により水中の微生物及び有害有機物質の除去に用いることを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明の水浄化ユニットは、光触媒層を表面に形成し漏光する導光路を内部に設けた光触媒ロッドの複数個を上下方向に備えてなり、水を入れた貯水槽または貯水池内の規模に合せて配置し、光触媒により微生物及び有害有機物質の除去を行う光触媒ロッドの集合体からなることを特徴とするものである。
さらに、本発明の水の浄化方法は、微生物及び有害有機物質を含む水を入れた貯水槽または貯水池に、光触媒層を表面に形成した透明支持体及びその内部に導光路を備えた光触媒ロッドを上下方向に配置し、光照射による光触媒反応を行うことにより、汚染水中の微生物及び有害有機物質を除去することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る光触媒ロッドを利用した水の浄化方法によれば、以下に示す作用効果を奏する。
１．光触媒ロッドを使用して、主として太陽光による光照射時の光触媒反応に基づく酸化力を利用して水中の有機物、微生物を分解除去し、清浄な水を供給する。
２．水浄化ユニットを飲用貯留槽に使用する場合、メンテナンスフリーでありしかも電力や薬剤を全く必要としないことから、特に発展途上国における飲用に不適な水を浄化し、ウィルス、バクテリア、細菌等が原因の風土病の抑制などの生活環境改善に繋がる。
３．発展途上国でなくても、例えば山小屋や離島など飲料水を雨水に頼り、電力エネルギーの供給が難しい箇所における水の浄化をこの光触媒ロッドを使用することにより可能となる。
４．先進国においても、自動車や工場などの排出源から放出される有機系汚染物質の雨水への溶け込みによる河川などへの流入を防止するため、道路近傍など排出源に近い場所における雨水貯留箇所への光触媒ロッドの設置により、有害な有機汚染物質の除去が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、光照射による光触媒反応を利用して、水に溶存する微生物の死滅若しくは繁殖を抑制すると共に、水に溶存する有害な有機化合物を分解除去するために用いられる光触媒ロッドであって、貯水槽或いは貯水池等の滞流水中に配置し、太陽光等を利用して有害有機物質を含む汚染水の水質浄化を行うものである。
【００１０】
本発明の光触媒ロッドは、透明な支持基体の表面に光触媒の被膜が形成され、その支持基体の内部に漏光処理が一部に施された導光路を備えたものである。本発明において、光触媒ロッドに用いられる透明支持体としては、光を透過する耐久性の材料及び形状のものであれば如何なるものも使用可能であって、例えば、ガラス管、石英管、プラスチック管などが挙げられる。また、導光路としては、光を透過させて、その表面を機械的処理或いは化学的処理することにより、漏光させて光触媒層に光を照射できる透明な材料及び形状であれば使用可能であるが、例えば、石英棒を含むガラス棒あるいはプラスチック棒の表面を漏光するように機械的処理したものなどが好ましい。
【００１１】
光触媒ロッドの表面に設けられる光触媒層は、従来公知の光触媒を用いて透明支持体の表面に形成される被膜であれば如何なるものであっても良いが、なかでも、ＴｉＯ２  を含む超微細孔を有する被膜が用いられる。このＴｉＯ２  を含む超微細孔を有する被膜は、特許第３０９４１０２号明細書などに記載の方法を適用することにより作製できる。
また、内部に設ける導光路は、光触媒層部位にのみ漏光するように形成されていることが好ましい。すなわち、本発明の光触媒ロッドとしては、超微細孔を有するＴｉＯ２コーティングされたガラス管に光触媒コーティング部分にのみ漏光する導光路を挿入し、その導光路の内部から光照射されて光触媒活性を発現するように設定されたものであることが好ましい。このロッドによれば、通常用いられる光触媒の表面側からの励起光照射のみならず、背面から導光路を用いて導入した励起光も光照射されてガラス管外側にコーティングされたＴｉＯ２を活性化させることができる。
【００１２】
また、本発明における水浄化ユニットは、有害有機物質を含む汚染水の浄化に光触媒による有害有機物質の分解能を十分に発現させる一態様を示すものであって、複数本の上記光触媒ロッドを上下方向に基台上に配置してなるものである。このユニットは、例えば、水の汚染度に応じて光触媒ロッドの使用本数を調整して水中に上下方向に固定化し、赤道直下のように太陽光が直上から照射される場合、或いは人工光源を使用する場合には主に導光路から漏光する光により、また、それ以外の場合には光触媒ロッドの外壁に直接光照射されることから、光触媒ロッドと水の界面、励起光が届く範囲の水面から下の光触媒、さらには励起光の届き難い深度においても導光路からの漏光による光触媒の活性化によって水中に溶存または存在する有害有機物質の分解を行うことができるものである。
【００１３】
さらに、本発明について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の光触媒ロッドを説明するための概略構成図である。図１において、Ａは光触媒ロッド本体、１は漏光処理を施した導光路、２は透明ＴｉＯ２コーティングを施したガラス管、３はＴｉＯ２コーティングの範囲、４は導光路の漏光処理を施した範囲を示す。ＴｉＯ２コーティングを施したガラス管と導光路の間には光のロスをなるべく少なくするために、隙間は可能な限り少なくする方が望ましい。ＴｉＯ２コーティングの範囲は水面より高い位置から行なわねばならない。導光路の漏光処理は、ＴｉＯ２コーティングの範囲より下部に行う必要があり、最適な漏光処理は太陽光に含まれる励起紫外光の届かない深さの部分より下に行うことが望ましいが、水位変動が起きる場合も考慮すると、漏光処理の部分の長さは最大水面高と同等以上であればよい。
【００１４】
図１に示すＴｉＯ２コーティングを施すガラス管２は、透明な材質であれば良く、ガラスの種類を選ばない。また、導光路１の材質にはアクリル樹脂を使用したが、紫外光を透過させる材質あれば良く、アクリル樹脂に限らずどのような材料も使用可能である。その漏光部４は、ヤスリなどで磨きを入れることにより容易に加工できる。
【００１５】
図２は、基台の上に、複数本の光触媒ロッドを集積化させた水浄化ユニットを示す。この光触媒ロッドの集積体を貯水槽のサイズに合わせて任意の数を水底に設置することにより、太陽光などにより水質浄化が可能となる。本発明の光触媒ロッドは、集積体として利用される場合、通常メンテナンスフリーであるが、使用環境によっては破損することも考えられる。このような場合には、破損の程度が軽微なときには破損した光触媒ロッドのみを新たな光触媒ロッドに置き換えるか、または破損した水浄化ユニット自体を新たなユニットに置き換えて設置することができる。
【００１６】
図３は、光触媒ロッドの機能発現の仕組みを示す図である。８で示す光照射により、光触媒と水面の界面付近（１０）では光の直接励起により水中の汚染物質の分解を行う。ロッドの中間地点あるいは底部（１１）においては、導光路を伝達されてきた光により光触媒を内側から照射し、水中の汚染物質の分解を行う。
【００１７】
図４は、本発明の光触媒ロッドを用いて設計した発展途上国や離島・山小屋等における汚染水の浄化に利用される貯留槽浄化システムの一例の概念図を示す。図４において、１２は汚染水の前処理部であり、木炭（１３）や砂利（１４）によるフィルターを行う部分である。木炭や砂利は設置される現地において調達可能なものと予期される。１５は光触媒ロッドによる最終処理部分である。ここで１２の前処理部で除去できなかった有機化合物や微生物類を分解する。本装置は太陽光のみで水浄化機能を発現しうる能力を有し、太陽エネルギー以外のいかなるエネルギーの投入も必要としないものである。また、光触媒自体は、光エネルギーが存在する限り半永久的に光触媒能を発現することから、部品供給の困難な場所でも長期に亘り使用できるという利点がある。
【００１８】
実施例
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
【実施例１】
【００１９】
まず、図５は、本実験に用いた装置の構成を示し、５は光触媒ロッド、６はビーカー、７はトルエン１０ｐｐｍを溶解させた模擬汚染水、８は高圧水銀灯による光照射である。図６は、図２において、光触媒ロッド９本を入れた装置を用い、トルエンを室温において光触媒分解させた結果を示したものである。
本実験では、導光路を使用したもの、及び使用しなかったものの二通りの実験を行った。導光路を光触媒ロッドに挿入していない系においても、トルエンの光触媒分解は起こったが、導光路を挿入することによりトルエンの分解速度は増大した。両方の系ともに、トルエンの光触媒分解に伴って生成するフェノールが極微量検出されたが、光触媒反応時間の進行と共に生成フェノールもまた光触媒分解された。
このことは、実際の環境中には様々な化学物質が存在しているが、難分解性のトルエンも光照射後およそ８時間で完全に除去できることは、実際の太陽光が照射する日照時間を勘案しても、本発明である光触媒ロッドは十分な機能を発現しうることが証明された。
【実施例２】
【００２０】
図７は、３種類（３回、６回、９回の光触媒をコーティングしたもの）の膜厚を有する光触媒ロッド１６本を入れた装置を用い、トルエン１００ｐｐｍを溶解させた模擬汚染水を光触媒分解させた実験を反応速度論を基に解析した結果を示したものである。この図７を見ても明らかなように、６回コーティングした光触媒管に漏光ロッドを挿入したものは、光触媒活性が著しく増大することが分かった。
【実施例３】
【００２１】
実施例２と同様にして、フェノール１００ｐｐｍの分解実験を行った。この結果を図８に示す。この実験結果も、トルエンの分解実験と全く同様に、６回コーティングした光触媒管に漏光ロッドを挿入したもので、光触媒活性が最大であった。これらの結果からは、光触媒の膜厚はコーティング回数に依存していることを考慮すると、光触媒の膜厚には最適な厚さが存在することが判明した。言い換えると、過剰に光触媒をコーティングしても意味がないといえる。図９は、光触媒管の側面における高さ方向の紫外線強度を測定したグラフである。光触媒の３回コーティングが最も漏光強度が高く、９回コーティングが最低であった。３回コーティングの光触媒管の場合、光触媒量が十分でなく、管内側から励起されても十分な光触媒活性が示されない。他方、９回コーティングに場合、反応に必要な触媒量は十分であるものの、酸化チタン層が漏光ロッドからの励起光を遮断してしまうため、漏光ロッドの有無にかかわらず光触媒活性に差異がないものと推定される。唯一、６回コーティングした光触媒管のみが、漏光ロッドからの励起光を効率的に利用して光触媒反応を優位に進行させていることを示している。
【実施例４】
【００２２】
本光触媒ロッドを用いた殺菌実験を行った。菌株として、Escherichia
coli ＡＴＣＣ１１２２９大腸菌を用い、これを寒天培地に塗抹し、３７℃において１８〜２４時間培養した。この培養した菌の１０-５cfu/ml溶液を調製し、光触媒ロッド（１６本）を設置した装置に入れ、暗条件下または明条件下において、２，４，６，８，２４時間後にサンプリングして光ロッドによる殺菌作用について調べた。その結果を表１に示す。
【００２３】
【表１】
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この表１に見るように、紫外光励起下では、暗条件下と比べて殺菌数が減少している。一方、光触媒励起のできない白色光を用いた実験でも、殺菌数の減少は殆ど見られなかった。この結果は、本光触媒ロッド装置が十分な殺菌効果を有していることを示している。     
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明の光触媒ロッド及びそれを用いた水浄化ユニットは、多様な汚染水の浄化を可能とするものであるうえに、低コストで簡易に作製でき、また浄化作業が容易であることから、利用可能性が広く、特に発展途上国における浄化水の作成に有益なものである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の光触媒ロッドの一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明の水浄化ユニットの一例を示す概略構成図である。
【図３】本発明の光触媒ロッドの機能発現の仕組みを示す概念図である。
【図４】本発明の光触媒ロッドを用いて設計された汚染水の浄化に利用される貯留槽浄化システムの一例の概念図を示す。
【図５】実施例に用いた光触媒ロッドの集積体からなる汚染水の分解実験用装置の概略構成図である。
【図６】本発明により得られたトルエンの分解実験の結果を示すグラフである。
【図７】本発明により得られたトルエンの他の分解実験の結果を示すグラフである。
【図８】本発明により得られたフェノールの分解実験の結果を示すグラフである。
【図９】光触媒管の側面における高さ方向の紫外線強度を測定したグラフである。
【符号の説明】
【００２６】
１    導光路
２    ガラス管
３    透明光触媒塗布部分
４    導光路漏光部分
５    光触媒ロッド
６    ビーカー
７    模擬汚染水
８    光
９    基板
１０  光触媒-水面界面反応領域
１１  導光路漏光による光触媒反応領域
１２  前処理浄化槽
１３  木炭
１４  砂利・小石
１５  光触媒ロッド浄化槽
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005230705.tif 000008
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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